初中物理学的静电,其实令物理学家困惑几百年
创始人
2025-07-10 11:04:36

初中物理学中的静电现象,看似简单,却曾令物理学家困惑了几百年。在过去的漫长岁月里,科学家们对静电的产生、存储和释放等问题感到迷茫。他们不断尝试各种方法去解释静电的本质,从摩擦起电到电荷的转移与分布,每一个发现都像是在黑暗中点亮的一盏明灯。尽管历经坎坷,但正是这种对静电的执着探索,推动了物理学的不断发展,为我们揭开了静电世界的神秘面纱,让我们对微观世界的认识更加深入。如今,静电已成为初中物理重要的知识点,让我们领略到科学探索的魅力与艰辛。


本文来自微信公众号:返朴 (ID:fanpu2019),作者:罗会仟


静电对大家来说或许并不陌生,冬天黑夜里脱毛衣的噼里啪啦,走过地毯后摸门把手的瞬间刺痛,拆快递时候粘手上怎么也甩不掉的泡沫颗粒,等等。这都是静电惹的祸。


我们都知道,静电是电荷在物体之间转移的结果。但是,百余年来,科学家一直没搞明白,为什么静电有时候是正电,有时候是负电?究竟是谁决定了摩擦或接触之后的电荷种类?最近,奥地利的科学家们经过反复实验,终于搞明白了这个问题的关键。今天我们一起聊聊静电这个话题,依据实验事实告诉你,到底是谁决定了摩擦之后带的什么电。


电是自然界最常见的现象之一,人类最早的科学记录就是摩擦起电。大约在公元前600多年,古希腊的泰勒斯就记录了琥珀摩擦之后可以吸引轻小物体的现象。不过,科学意义上对电学的研究是从近代开始。18世纪初,荷兰莱顿大学的彼得·穆森布罗克(Pieter van Musschenbroeck)发明了储存静电的装置——莱顿瓶,由一个玻璃瓶带个橡胶塞,外面包裹一层锡箔,里面插一根带铁链的金属棒等装置组成。其实这就是一个最简单的“电容器”,静电可以通过露在外面金属棒头导入瓶中,并存储起来。有了莱顿瓶,科学家们从此研究静电,不再需要每次都那么麻烦地摩擦又摩擦,而且可以定量测量电荷之间的相互作用。1600年,英国医生吉尔伯特(William Gilbert)发现静电并非只有通过琥珀摩擦才能产生,其他摩擦过程也可能有静电。不过他仍然用拉丁语“electricus”命名了“电”,起源于希腊文的“琥珀”(希腊语“ήλεκτρον”或对应拉丁文“elektron”)。



莱顿瓶


如今,我们知道:用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电,用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电,静电的存在就是因为电荷从一个物体转移到了另一个物体,造成了物体中正负电荷数量不对等或电荷分布不均匀。这个电荷的正负,其实是人为的规定,是来自美国的富兰克林(Benjamin Franklin)的杰作。富兰克林利用莱顿瓶研究静电之间的相互作用时候发现,它们有时候相斥,有时候相吸,类比于磁铁的南北极同性相斥、异性相吸,富兰克林认为电荷也存在两类电荷,分别是正电荷和负电荷,同种电荷相斥、异种电荷相吸。


后来,库仑精确测定了电荷之间的相互作用,安培、法拉第、麦克斯韦等研究了电荷运动的问题,直到1897年安德森发现电荷的主要载体之一是电子。1909年密立根的油滴实验证实了电荷具有最小单元,也就是元电荷,一个电子所携带的电荷数量就等于一个负的元电荷。至此,人们终于清楚材料携带正负电荷主要是和电子有关,一个本来不带电的物体,如果得到电子,就带负电;反之,失去电子就带正电。


但是,这又回到了摩擦起电这个古老的问题:摩擦过程究竟是什么决定了电子的得到或失去呢?


我们知道摩擦起电,实际上就是两个物体反复接触,导致电荷偷偷转移到了另一个物体。而且,无论是毛皮摩擦橡胶棒,还是丝绸摩擦玻璃棒,都是绝缘体之间的接触,如果用金属棒来摩擦,反而因为它们属于电的良导体而很难留住静电。到了20世纪50年代,人们已经能够很好地解释金属的接触起电机制,因为金属的“电负性”,也就是原子吸引其他电子的能力,存在一定的差异。常见金属大致的排序是:铝>铍>镁>钙>锂>钠>钾,或者说:元素周期表从左到右,元素的电负性逐渐变大;周期表从上到下,元素的电负性逐渐变小。从量子力学的角度来看,其实就是核外电子的电离能和亲和能的差异,就是原子最外层的电子的能量决定了它“拉拢”其他电子或“逃逸”原子核的束缚的能力。但是,对于摩擦起电用到的绝缘体而言,这种电负性差异的解释远远不够。科学家们于是提出了摩擦电序列的概念,根据材料交换电荷的正负性对其进行排序,就像玻璃对陶瓷带正电,陶瓷对木头也带正电,那玻璃对木头多半也是正的,形成所谓的“摩擦起电序”。然而,不管科学家怎么对材料排好序,一做实验,结果就是一团混乱,设想的和实际的总是对不上。哪怕用两个一模一样的材料互相接触,也有可能发生电荷交换,科学家们有点懵。


金属电离能排序


最近奥地利科学家通过成百上千次实验,终于发现静电正负的秘密——它们并非随机混乱,而是由材料接触历史决定,接触次数决定了电荷的正负!


这篇最新发表在《自然》[Nature638,664–669(2025)]期刊上的论文采用了一个简单的方案。他们选了一种透明的绝缘体——硅基聚合物PDMS,制成大小相同的塑料块。他们最初觉得,摩擦起电的正负性可能由材料表面的细微差异决定了,可实验结果还是乱七八糟。可是,当他们拿用过的样本反复做实验时,渐渐地找到了特定的规律。也就是说,在接触几次的情形下,带正电或负电看似很随机,但是当接触达到了200次左右的时候,所携带的电荷就变得可预测了。结论非常简单:接触次数多的塑料块总是对接触次数少的塑料块带负电。而且,他们进一步统计发现,只要控制接触次数和实验顺序,塑料块还能按设计的起电序排列,真正意义上实现了“摩擦起电序”。


就这样,一个看似复杂混乱的古老科学问题,就在重复实验次数多了之后,有了相对准确的答案。有的时候,科学就需要一点耐心,再坚持一下,再重复几遍,也许就功到自然成了!

相关内容

热门资讯

Cluely硅谷爆火的另一面:... 本文来自微信公众号:四木相对论,作者:Lax、dreamy,题图来自:AI生成一款帮忙“作弊”的AI...
银行理财又现“贴息”大法 21世纪经济报道记者 吴霜 上海报道 “存款替代”类理财是理财公司的“吸金”利器,但此类产品必须回答...
星星科技2024年营收增41%... 瑞财经 钟鸣辰近日,星星科技(SZ300256)发布2024年年度报告,同比增收不增利。 报告显示...
2025上半年文旅上市公司市值... 2025年已过半,上半年文旅上市公司股价表现如何?谁暴涨,谁暴跌?本期知酷文旅将进行汇总。 目前,知...
董事长变更未发公告,国新国证基... 红星资本局7月10日消息,近日,国新国证基金管理有限公司(下称“国新国证基金”)公司网站显示,董事长...
外卖补贴大战继续!美团整出新花... 金融界7月10日消息 在新一轮外卖补贴大战打的如火如荼之际,美团整出了新花样——免单抽奖! 今天,#...
洁特生物:股东汇资投资累计减持... 每经AI快讯,洁特生物(SH 688026,收盘价:16.65元)7月10日晚间发布公告称,公司于近...
淘小胖跨区域复制进入重庆,首店... 成立3年多时间,由胖东来超市前总经理郭军涛于河南创业做的超市新品牌——淘小胖,确定进入重庆市场做跨区...
特朗普再加关税,日韩为何成了出... 火力全开,特朗普再次挥舞关税大棒,杀14国立威!这14个国家里,像老挝、缅甸、波黑等大多数国家都是陪...
尹卫东回归,科兴生物董事会再度... 出品|达摩财经科兴生物董事会再度洗牌,但原董事会却对新一届董事会的合法性产生质疑。7月9日,科兴生物...
稳就业政策支持加码 扩大稳岗扩... 国务院办公厅日前印发《关于进一步加大稳就业政策支持力度的通知》,从支持企业稳定就业岗位、激励企业扩岗...
突发!“高端零食第一股”或易主... 7月10日晚间,A股“高端零食第一股”良品铺子(603719.SH)发布公告称,公司控股股东宁波汉意...
司南导航公告再出数据差错,刚因... 2025年7月10日,司南导航发布一则更正公告,对一份股东权益变动公告进行更正。具体而言,公司202...
西安市工商联举办第十期企业家副... 7月9日,西安市工商联(总商会)举办了以“推动西安科技创新与产业创新融合发展”为主题的第十期企业家副...
或被罚600万元 云内动力“戴... 中经记者 庄灵辉 卢志坤 北京报道被立案调查半年后,昆明云内动力股份有限公司(000903.SZ,以...
马斯克最新访谈:10个问题告诉... 前段时间,在YC举办的AI Startup School上,YC首席执行官Garry Tan邀请到马...
原创 上... 2025年7月4日,安井食品集团股份有限公司(02648.HK,以下简称“安井食品”)正式登陆港交所...
珠江啤酒:预计2025年上半年... 中证智能财讯 珠江啤酒(002461)7月10日晚间披露业绩预告,预计2025年上半年归母净利润5....
支持科创企业融资,又一城出手! 为更好发挥资本市场服务科技创新功能作用,促进科技金融深度融合,7月9日,镇江市政府、江苏省委金融办联...
半年超60家银行解散,银行村改... 在大多数人的心目中,银行都是最赚钱的存在,也是不少人心目中的金饭碗,然而就在最近却有媒体曝出半年超6...
义乌稳定币支付的百亿美元“传说... 近期,有消息援引券商报告提及,区块链数据分析企业Chainalysis的分析表明,自2023年以来,...
「百镜大战」打响,谁能赢下下一... 文 / 二风来源 / 节点财经如果你还觉得智能眼镜只是极客玩具,那你可能错过了一个“时代拐点”。20...
「百镜大战」打响,谁能赢下下一... 文 / 二风来源 / 节点财经如果你还觉得智能眼镜只是极客玩具,那你可能错过了一个“时代拐点”。20...
药石科技:员工持股平台拟减持不... 7月10日晚间,南京药石科技股份有限公司(药石科技,300725.SZ)公告称,公司员工持股平台南京...
真视通:股东拟合计减持5.96... 7月10日晚间,北京真视通科技股份有限公司(真视通,002771.SZ)公告,持股2.66%的股东胡...
禹洲集团:1-6月实现销售金额... 新京报贝壳财经讯 7月10日,禹洲集团控股有限公司(简称“禹洲集团”)发布截至2025年6月份未经审...
股价刚涨停,良品铺子:控股股东... 今日焦点良品铺子:控股股东筹划控制权变更事项 股票停牌今天涨停的良品铺子公告称,公司控股股东宁波汉意...
原创 1... 雷军、美团、阿里、红杉,谁是最大赢家? 作者|刘钦文 编辑|高远山 一场由90后创业者主导的机器人革...
老铺黄金,步子迈大了? 北京SKP商场的老铺黄金门店前,曾经需要排队数小时的盛况已不复存在。 “从前9折哐哐卖,现在89折无...
港交所锣不够用了!5企同日上市... 本文来源:时代财经 作者:何秀兰 港交所的锣要敲不过来了!5家企业同日上市,年内港股IPO达到了沸点...